Светодиодные светильники для теплиц

Чтобы растения в теплицах лучше росли, им нужно правильное освещение, содержащее преимущественно два цвета спектра: синий и красный. Другие цвета спектра практически не влияют на рост культур.

 

Сегодня самым массовым типом элементов, применяемых для освещения теплиц, являются аграрные натриевые лампы высокого давления, имеющие максимумы спектра излучения именно в области синего и красного цвета. Однако они только одну треть потребляемой электроэнергии преобразуют в световое излучение, т.е. вырабатывают много лишнего тепла. Кроме того, в синей части спектра их излучение недостаточно интенсивно.

Более современные светодиодные светильники для теплиц имеют втрое меньшее электропотребление при равной светоотдаче и обеспечивают лучший спектр светового излучения.

Характеристика осветительных LED-элементов

Светодиодный тепличный светильник (LED-светильник) включает специально разработанный влагозащищенный корпус прямоугольной или круглой формы (светодиодная лампа), конструктивно объединенный с теплоотводящим радиатором, множественные светодиодные источники света, т.е собственно светодиоды, и выпрямитель напряжения питающей сети для получения постоянного напряжения питания линейки (до 100 шт!) последовательно включенных светодиодов.

Особенностью светодиодов является направленность их светового потока преимущественно в одном направлении. Поэтому светодиодные лампы для теплиц ориентируют под определенными углами (обычно 60, 90 и 120 градусов), выбор которых зависит от вида выращиваемых в парнике культур.

Спектр светового излучения светодиодов для теплиц

Если облучать растения синим или фиолетовым светом с длинами волн от 450 до 460 нм, то они будут низкорослыми с большим количеством зелени, но низкопродуктивными. Облучение оранжевым или красным светом с длинами волн от 620 до 630 нм способствует развитию корней растений, созреванию их плодов и их цветению.

В спектре естественного солнечного света содержится как синий, так и красный цвет, что способствует как росту и развитию зеленой массы растений, так и хорошему цветению и плодоношению.

Поскольку светодиоды излучают свет конкретного цвета с узким диапазоном спектра, то в корпусах светодиодных ламп для теплиц помещают несколько групп светодиодов, имеющих синий и красный (или оранжевый) цвета светового излучения. Комбинируя различные светодиоды в одном светильнике можно подобрать спектр, максимально подходящий тому или иному виду растений.

Вы также можете прочитать статью об инфракрасном обогреве теплиц.

Освещение теплиц. Как сделать выбор (видео)

Подсветка рассады

Отдельного упоминания заслуживает то обстоятельство, что светодиодные лампы практически незаменимы для выращивания рассады. Спецвиды таких изделий, предназначенных для быстрого проращивания молодых побегов, обеспечивают получение крепкой рассады за минимальное время. При этом такие светильники почти не нагревают воздух в теплице – парник не нужно часто проветривать, а температурные повреждения растений исключены.

Так что, если светодиоды в теплицах являются просто эффективными, то для стеллажей с рассадой они являются крайне необходимой новацией.

Преимущества освещения теплиц светодиодами

1. Имеющийся опыт показывает, что растения при освещении их светодиодами проходят полный цикл своего развития от прорастания из семян до плодоношения за то же время, в течение которого растения под светом люминесцентных ламп только начинают цвести.
2. Экономичность в смысле электропотребления. У светодиодных ламп оно втрое меньше, чем у натриевых, и в десять, чем у обычных ламп накаливания. Иначе говоря, после установки светодиодного освещения в теплице стоимость электроэнергии снизится в несколько раз при сохранении уровня освещенности.
3. В зависимости от модели подсветка имеет долгий службы (от пятидесяти до ста тысяч часов), гарантийный период работы – от 3 до 5 лет и срок эксплуатации порядка 10 лет. Это означает, что установив в теплице такие лампы однажды, вам не придется их менять на протяжении нескольких лет.


4. Важным преимуществом является экологическая чистота и исключение необходимости утилизировать лампы, обусловленное отсутствием в их составе вредных компонентов (например, ртути). Поэтому использование их в теплицах весьма предпочтительно.
5. Высокая универсальность имеющихся на рынке моделей светильников. Их конструкция предусматривает несколько способов монтажа: подвесной, с помощью тросов или цепей, крепление к потолку, настенный способ установки и т.д.
6. Отсутствие сильного нагрева при эксплуатации как у ламп накаливания, что облегчает процесс поддержания требуемого климата внутри теплицы.

Вас может заинтересовать статья об особенностях выбора типа и этапах установки автоматической системы полива.

Недостатки и особенности применения

Хотя вышеприведенный список преимуществ достаточно солидный, но все же светодиодное освещение теплиц пока не нашло широкое распространение из-за ряда недостатков:

1. Светильники имеют относительно большие размеры, вызванные стремлением повысить интенсивность их излучения путем увеличения числа светодиодов в одном корпусе. Однако для теплиц традиционной конструкции (особенно крупных) этот недостаток не так критичен.
2. Осветитель имеют сравнительно высокую стоимость, превышающая стоимость люминесцентных аналогов в 5-8 раз, так что для многих этот недостаток является решающим для отказа от светодиодного освещения теплиц. Но при этом нужно учитывать, что он компенсируется за счет короткого срока окупаемости (за 2,5 года) и достаточно долгой эксплуатации после наступления этой окупаемости при нарастающей экономии за счёт пониженного электропотребления.
3. Светоизлучение у светодиодов может со временем снижаться, что ведет к уменьшению яркости светодиодных ламп по-истечении 3-5 лет, т.е. на исходе типового гарантийного срока.
4. Малые углы рассеивания излучаемого света вынуждают для освещения большей площади брать больше точек освещения, чем при использовании натриевых или люминесцентных ламп.

Освещение теплиц светодиодными лампами вряд ли является подходящим всем без исключения вариантом. Но все же у него есть достоинства, которые могут склонить к выбору именно этого способа освещения: экономичность и эффективность в смысле ускорения развития растений.

Чтобы не потерять материал, обязательно сохраните его к себе в социальную сеть Вконтакте, Одноклассники, Facebook, просто нажав на кнопку ниже:

Источник: moyateplica.ru

Освещение растений белыми светодиодами

Интенсивность фотосинтеза под красным светом максимальна, но под одним только красным растения гибнут либо их развитие нарушается. Например, корейские исследователи [1] показали, что при освещении чистым красным масса выращенного салата больше, чем при освещении сочетанием красного и синего, но в листьях значимо меньше хлорофилла, полифенолов и антиоксидантов. А биофак МГУ [2] установил, что в листьях китайской капусты под узкополосным красным и синим светом (по сравнению с освещением натриевой лампой) снижается синтез сахаров, угнетается рост и не происходит цветения.

 

Рис. 1 Леанна Гарфилд, Tech Insider — Aerofarms

 

Какое нужно освещение, чтобы при умеренном энергопотреблении получить полноценно развитое, большое, ароматное и вкусное растение?

В чем оценивать энергетическую эффективность светильника?

 

Основные метрики оценки энергетической эффективности фитосвета: 

 

• Photosynthetic Photon Flux (PPF), в микромолях на джоуль, т. е. в числе квантов света в диапазоне 400–700 нм, которые излучил светильник, потребивший 1 Дж электроэнергии. 
• Yield Photon Flux (YPF), в эффективных микромолях на джоуль, т. е. в числе квантов на 1 Дж электроэнергии, с учетом множителя — кривой McCree.

 

PPF всегда получается немного выше, чем YPF (кривая McCree нормирована на единицу и в большей части диапазона меньше единицы), поэтому первую метрику выгодно использовать продавцам светильников. Вторую метрику выгоднее использовать покупателям, так как она более адекватно оценивает энергетическую эффективность.

 

Эффективность ДНаТ

 

Крупные агрохозяйства с огромным опытом, считающие деньги, до сих пор используют натриевые светильники. Да, они охотно соглашаются повесить над опытными грядками предоставляемые им светодиодные светильники, но не согласны за них платить.

 

Из рис. 2 видно, что эффективность натриевого светильника сильно зависит от мощности и достигает максимума при 600 Вт. Характерное оптимистичное значение YPF для натриевого светильника 600–1000 Вт составляет 1,5 эфф. мкмоль/Дж. Натриевые светильники 70–150 Вт имеют в полтора раза меньшую эффективность.

 

 

Рис. 2. Типичный спектр натриевой лампы для растений (слева). Эффективность в люменах на ватт и в эффективных микромолях серийных натриевых светильников для теплиц марок Cavita, E-Papillon, «Галад» и «Рефлакс» (справа)

 

Любой светодиодный светильник, имеющий эффективность 1,5 эфф. мкмоль/Вт и приемлемую цену, можно считать достойной заменой натриевого светильника.

 

Сомнительная эффективность красно-синих фитосветильников

 

В этой статье не приводим спектров поглощения хлорофилла потому, что ссылаться на них в обсуждении использования светового потока живым растением некорректно. Хлорофилл invitro, выделенный и очищенный, действительно поглощает только красный и синий свет. В живой клетке пигменты поглощают свет во всем диапазоне 400–700 нм и передают его энергию хлорофиллу. Энергетическая эффективность света в листе определяется кривой «McCree 1972» (рис. 3). 

 

 

 

Рис. 3. V(λ) — кривая видности для человека; RQE — относительная квантовая эффективность для растения (McCree 1972); σ_r и σ_fr — кривые поглощения фитохромом красного и дальнего красного света; B(λ) — фототропическая эффективность синего света [3]

 

Отметим: максимальная эффективность в красном диапазоне раза в полтора выше, чем минимальная — в зеленом. А если усреднить эффективность по сколько-нибудь широкой полосе, разница станет еще менее заметной. На практике перераспределение части энергии из красного диапазона в зеленый энергетическую функцию света иногда, наоборот, усиливает. Зеленый свет проходит через толщу листьев на нижние ярусы, эффективная листовая площадь растения резко увеличивается, и урожайность, например, салата повышается [2].

 

Освещение растений белыми светодиодами

 

Энергетическая целесообразность освещения растений распространенными светодиодными светильниками белого света исследована в работе [3].

 

Характерная форма спектра белого светодиода определяется:

 

• балансом коротких и длинных волн, коррелирующим с цветовой температурой (рис. 4, слева);
• степенью заполненности спектра, коррелирующей с цветопередачей (рис. 4, справа).

 

 

 

Рис. 4. Спектры белого светодиодного света с одной цветопередачей, но разной цветовой температурой КЦТ (слева) и с одной цветовой температурой и разной цветопередачей R _a (справа)

 

Различия в спектре белых диодов с одной цветопередачей и одной цветовой температуры едва уловимы. Следовательно, мы можем оценивать спектрозависимые параметры всего лишь по цветовой температуре, цветопередаче и световой эффективности — параметрам, которые написаны у обычного светильника белого света на этикетке.

 

Результаты анализа спектров серийных белых светодиодов следующие:

 

1. В спектре всех белых светодиодов даже с низкой цветовой температурой и с максимальной цветопередачей, как и у натриевых ламп, крайне мало дальнего красного (рис. 5).

 

 

Рис. 5. Спектр белого светодиодного (LED 4000K R _a = 90) и натриевого света (HPS) в сравнении со спектральными функциями восприимчивости растения к синему (B), красному (A_r) и дальнему красному свету (A_fr)

 

В естественных условиях затененное пологом чужой листвы растение получает больше дальнего красного, чем ближнего, что у светолюбивых растений запускает «синдром избегания тени» — растение тянется вверх. Помидорам, например, на этапе роста (не рассады!) дальний красный необходим, чтобы вытянуться, увеличить рост и общую занимаемую площадь, а следовательно, и урожай в дальнейшем.

 

Соответственно, под белыми светодиодами и под натриевым светом растение чувствует себя как под открытым солнцем и вверх не тянется.

 

2. Синий свет нужен для реакции «слежение за солнцем» (рис. 6).

 

Рис. 6. Фототропизм — разворот листьев и цветов, вытягивание стеблей на синюю компоненту белого света (иллюстрация из «Википедии»)

 

В одном ватте потока белого светодиодного света 2700 К фитоактивной синей компоненты вдвое больше, чем в одном ватте натриевого света. Причем доля фитоактивного синего в белом свете растет пропорционально цветовой температуре. Если нужно, например, декоративные цветы развернуть в сторону людей, их следует подсветить с этой стороны интенсивным холодным светом, и растения развернутся.

 

3. Энергетическая ценность света определяется цветовой температурой и цветопередачей и с точностью 5 % может быть определена по формуле:

 

эффмкмольДжYPF=η100⋅[1,15+35⋅Ra−2360CCT]эфф.мкмоль/Дж,

 

где η — световая отдача в лм/Вт, Ra — общий индекс цветопередачи, CCT — коррелированная цветовая температура в градусах Кельвина.

 

Примеры использования этой формулы:

 

А. Оценим для основных значений параметров белого света, какова должна быть освещенность, чтобы при заданной цветопередаче и цветовой температуре обеспечить, например, 300 эфф. мкмоль/с/м2:

 

 

Видно, что применение теплого белого света высокой цветопередачи позволяет использовать несколько меньшие освещенности. Но если учесть, что световая отдача светодиодов теплого света с высокой цветопередачей несколько ниже, становится понятно, что подбором цветовой температуры и цветопередачи нельзя энергетически значимо выиграть или проиграть. Можно лишь скорректировать долю фитоактивного синего или красного света.

 

Б. Оценим применимость типичного светодиодного светильника общего назначения для выращивания микрозелени.

 

Пусть светильник размером 0,6 × 0,6 м потребляет 35 Вт, имеет цветовую температуру 4000 К, цветопередачу Ra = 80 и световую отдачу 120 лм/Вт. Тогда его эффективность составит YPF = (120/100)⋅(1,15 + (35⋅80 − 2360)/4000) эфф. мкмоль/Дж = 1,5 эфф. мкмоль/Дж. Что при умножении на потребляемые 35 Вт составит 52,5 эфф. мкмоль/с.

 

Если такой светильник опустить достаточно низко над грядкой микрозелени площадью 0,6 × 0,6 м = 0,36 м² и тем самым избежать потерь света в стороны, плотность освещения составит 52,5 эфф. мкмоль/с / 0,36м² = 145 эфф. мкмоль/с/м². Это примерно вдвое меньше обычно рекомендуемых значений. Следовательно, мощность светильника необходимо также увеличить вдвое.

 

Прямое сравнение фитопараметров светильников разных типов

 

Сравним фитопараметры обычного офисного потолочного светодиодного светильника, произведенного в 2016 году, со специализированными фитосветильниками (рис. 7).

 

 

Рис. 7. Сравнительные параметры типичного натриевого светильника 600Вт для теплиц, специализированного светодиодного фитосветильника и светильника для общего освещения помещений

 

Видно, что обычный светильник общего освещения со снятым рассеивателем при освещении растений по энергетической эффективности не уступает специализированной натриевой лампе. Видно также, что фитосветильник красно-синего света (производитель намеренно не назван) сделан на более низком технологическом уровне, раз его полный КПД (отношение мощности светового потока в ваттах к мощности, потребляемой из сети) уступает КПД офисного светильника. Но если бы КПД красно-синего и белого светильников были одинаковы, то фитопараметры тоже были бы примерно одинаковы!

 

Также по спектрам видно, что красно-синий фитосветильник не узкополосен, его красный горб широк и содержит гораздо больше дальнего красного, чем у белого светодиодного и натриевого светильника. В тех случаях, когда дальний красный необходим, использование такого светильника как единственного или в комбинации с другими вариантами может быть целесообразно.

 

Оценка энергетической эффективности осветительной системы в целом:

 

Автор использует ручной спектрометр UPRtek 350N (рис. 8), предоставленный компанией «Интех инжиниринг».

 

Рис. 8. Аудит системы фитоосвещения

 

Следующая модель UPRtek — спектрометр PG100N по заявлению производителя измеряет микромоли на квадратный метр, и, что важнее, световой поток в ваттах на квадратный метр.

 

Измерять световой поток в ваттах — превосходная функция! Если умножить освещаемую площадь на плотность светового потока в ваттах и сравнить с потреблением светильника, станет ясен энергетический КПД осветительной системы. А это единственный на сегодня бесспорный критерий эффективности, на практике для разных осветительных систем различающийся на порядок (а не в разы или тем более на проценты, как меняется энергетический эффект при изменении формы спектра).

 

Примеры использования белого света

 

Описаны примеры освещения гидропонных ферм и красно-синим, и белым светом (рис. 9).

 

 

 

Рис. 9. Слева направо и сверху вниз фермы: Fujitsu, Sharp, Toshiba, ферма по выращиванию лекарственных растений в Южной Калифорнии

 

Достаточно известна система ферм Aerofarms (рис. 1, 10), самая большая из которых построена рядом с Нью-Йорком. Под белыми светодиодными лампами в Aerofarms выращивают более 250 видов зелени, снимая свыше двадцати урожаев в год.

 

 

 

Рис. 10. Ферма Aerofarms в Нью-Джерси («Штат садов») на границе с Нью-Йорком

 

Прямые эксперименты по сравнению белого и красно-синего светодиодного освещения
Опубликованных результатов прямых экспериментов по сравнению растений, выращенных под белыми и красно-синими светодиодами, крайне мало. Например, мельком такой результат показала МСХА им. Тимирязева (рис. 11).

 

 

Рис. 11. В каждой паре растение слева выращено под белыми светодиодами, справа — под красно-синими (из презентации И. Г. Тараканова, кафедра физиологии растений МСХА им. Тимирязева)

 

Пекинский университет авиации и космонавтики в 2014 году опубликовал результаты большого исследования пшеницы, выращенной под светодиодами разных типов [4]. Китайские исследователи сделали вывод, что целесообразно использовать смесь белого и красного света. Но если посмотреть на цифровые данные из статьи (рис. 12), замечаешь, что разница параметров при разных типах освещения отнюдь не радикальна.

 

 

 

Рис 12. Значения исследуемых факторов в двух фазах роста пшеницы под красными, красно-синими, красно-белыми и белыми светодиодами

 

Однако основным направлением исследований сегодня является исправление недостатков узкополосного красно-синего освещения добавлением белого света. Например, японские исследователи [5, 6] выявили увеличение массы и питательной ценности салата и томатов при добавлении к красному свету белого. На практике это означает, что, если эстетическая привлекательность растения во время роста неважна, отказываться от уже купленных узкополосных красно-синих светильников необязательно, светильники белого света можно использовать дополнительно.

 

Влияние качества света на результат

 

Фундаментальный закон экологии «бочка Либиха» (рис. 13) гласит: развитие ограничивает фактор, сильнее других отклоняющийся от нормы. Например, если в полном объеме обеспечены вода, минеральные вещества и СО ₂, но интенсивность освещения составляет 30 % от оптимального значения — растение даст не более 30 % максимально возможного урожая.

 

Рис. 13. Иллюстрация принципа ограничивающего фактора из обучающего ролика на YouTube

 

Реакция растения на свет: интенсивность газообмена, потребления питательных веществ из раствора и процессов синтеза — определяется лабораторным путем. Отклики характеризуют не только фотосинтез, но и процессы роста, цветения, синтеза необходимых для вкуса и аромата веществ.

 

На рис. 14 показана реакция растения на изменение длины волны освещения. Измерялась интенсивность потребления натрия и фосфора из питательного раствора мятой, земляникой и салатом. Пики на таких графиках — признаки стимулирования конкретной химической реакции. По графикам видно что исключить из полного спектра ради экономии какие-то диапазоны, — все равно что удалить часть клавиш рояля и играть мелодию на оставшихся.

 

 

 

Рис. 14. Стимулирующая роль света для потребления азота и фосфора мятой, земляникой и салатом (данные предоставлены компанией Фитэкс)

 

Принцип ограничивающего фактора можно распространить на отдельные спектральные составляющие — для полноценного результата в любом случае нужен полный спектр. Изъятие из полного спектра некоторых диапазонов не ведет к значимому росту энергетической эффективности, но может сработать «бочка Либиха» — и результат окажется отрицательным.
Примеры демонстрируют, что обычный белый светодиодный свет и специализированный «красно-синий фитосвет» при освещении растений обладают примерно одинаковой энергетической эффективностью. Но широкополосный белый комплексно удовлетворяет потребности растения, выражающиеся не только в стимуляции фотосинтеза.

 

Убирать из сплошного спектра зеленый, чтобы свет из белого превратился в фиолетовый, — маркетинговый ход для покупателей, которые хотят «специального решения», но не выступают квалифицированными заказчиками.

 

Корректировка белого света

 

Наиболее распространенные белые светодиоды общего назначения имеют невысокую цветопередачу Ra = 80, что обусловлено нехваткой в первую очередь красного цвета (рис. 4).

 

Недостаток красного в спектре можно восполнить, добавив в светильник красные светодиоды. Такое решение продвигает, например, CREE. Логика «бочки Либиха» подсказывает, что такая добавка не повредит, если это действительно добавка, а не перераспределение энергии из других диапазонов в пользу красного.

 

Интересную и важную работу проделал в 2013–2016 годах ИМБП РАН [7, 8, 9]: там исследовали, как влияет на развитие китайской капусты добавление к свету белых светодиодов 4000 К / Ra = 70 света узкополосных красных светодиодов 660 нм.

 

И выяснили следующее:

 

• Под светодиодным светом капуста растет примерно так же, как под натриевым, но в ней больше хлорофилла (листья зеленее).
• Cухая масса урожая почти пропорциональна общему количеству света в молях, полученному растением. Больше света — больше капусты.
• Концентрация витамина С в капусте незначительно повышается с ростом освещенности, но значимо увеличивается с добавлением к белому свету красного.
• Значимое увеличение доли красной составляющей в спектре существенно повысило концентрацию нитратов в биомассе. Пришлось оптимизировать питательный раствор и вводить часть азота в аммонийной форме, чтобы не выйти за ПДК по нитратам. А вот на чисто-белом свету можно было работать только с нитратной формой.
• При этом увеличение доли красного в общем световом потоке почти не влияет на массу урожая. То есть восполнение недостающих спектральных компонент влияет не на количество урожая, а на его качество.
• Более высокая эффективность в молях на ватт красного светодиода приводит к тому, что добавление красного к белому эффективно еще и энергетически.

 

Таким образом, добавление красного к белому целесообразно в частном случае китайской капусты и вполне возможно в общем случае. Конечно, при биохимическом контроле и правильном подборе удобрений для конкретной культуры.

 

Варианты обогащения спектра красным светом

 

Растение не знает, откуда к нему прилетел квант из спектра белого света, а откуда — «красный» квант. Нет необходимости делать специальный спектр в одном светодиоде. И нет необходимости светить красным и белым светом из одного какого-то специального фитосветильника. Достаточно использовать белый свет общего назначения и отдельным светильником красного света освещать растение дополнительно. А когда рядом с растением находится человек, красный светильник можно по датчику движения выключать, чтобы растение выглядело зеленым и симпатичным.

 

Но оправданно и обратное решение — подобрав состав люминофора, расширить спектр свечения белого светодиода в сторону длинных волн, сбалансировав его так, чтобы свет остался белым. И получится белый свет экстравысокой цветопередачи, пригодный как для растений, так и для человека.

 

Открытые вопросы

 

Можно выявлять роль соотношения дальнего и ближнего красного света и целесообразность использования «синдрома избегания тени» для разных культур. Можно спорить, на какие участки при анализе целесообразно разбивать шкалу длин волн.

 

Можно обсуждать — нужны ли растению для стимуляции или регуляторной функции длины волн короче 400 нм или длиннее 700 нм. Например, есть частное сообщение, что ультрафиолет значимо влияет на потребительские качества растений. В числе прочего краснолистные сорта салата выращивают без ультрафиолета, и они растут зелеными, но перед продажей облучают ультрафиолетом, они краснеют и отправляются на прилавок. И корректно ли новая метрика PBAR (plant biologically active radiation), описанная в стандарте ANSI/ASABE S640, Quantities and Units of Electromagnetic Radiation for Plants (Photosynthetic Organisms, предписывает учитывать диапазон 280–800нм.

 

Заключение

 

Сетевые магазины выбирают более лежкие сорта, а затем покупатель голосует рублем за более яркие плоды. И почти никто не выбирает вкус и аромат. Но как только мы станем богаче и начнем требовать большего, наука мгновенно даст нужные сорта и рецепты питательного раствора.

 

А чтобы растение синтезировало все, что для вкуса и аромата нужно, потребуется освещение со спектром, содержащим все длины волн, на которые растение прореагирует, т. е. в общем случае сплошной спектр. Возможно, базовым решением будет белый свет высокой цветопередачи.

 

Благодарности
Автор выражает искреннюю благодарность за помощь в подготовке статьи сотруднику ГНЦ РФ-ИМБП РАН к. б. н. Ирине Коноваловой; руководителю проекта «Фитэкс» Татьяне Тришиной; специалисту компании CREE Михаилу Червинскому

 

Примечание1: Этот пост является переводом статьи White LED Lighting for Plants.

Источник: rdm-led.ru

Освещение теплиц светодиодами

Для полноценного развития и плодоношения растениям жизненно необходим солнечный свет. Он состоит из волн разной длины, которые в совокупности составляют видимый спектр, однако считается, что растениям больше всего подходят лучи синего, красного и оранжевого диапазона. Если для освещения будут использовать лампы именно такого спектра, процессы фотосинтеза будут происходить более активно.

Примечание: Волны желтого и зеленого спектра практически не поглощаются листьями растений.

При подборе ламп для освещения теплицы следует также учитывать, что, в зависимости от фазы развития культуры, ей требуются и волны определенного цвета. К примеру, на этапе наращивания зеленой массы преимущество следует отдавать синим волнам, а во время цветения и формирования плодов – красного.

Учитывая эти требования растений к солнечному свету, можно сделать вывод, что в теплицах следует устанавливать такие лампы освещения, которые будут максимально приближены к естественному солнечному свету. При этом лучше усилить красные и синие части спектра, а зеленые и желтые – исключить за ненадобностью.

Светодиодные лампы отвечают всем современным требованиям относительно подсветки растений в конструкциях закрытого грунта (рисунок 1). В прошлом для этой цели использовались преимущественно газоразрядные лампы, но сейчас они считаются устаревшими. При этом основное преимущество светодиодных светильников в том, что они позволяют достичь оптимального баланса между лучами синего и красного спектра, создавая, таким образом, оптимальную среду для развития растений.

К другим достоинствам светодиодных светильников относят:

1. Экономичность: такие светильники потребляют мало энергии, но при этом обеспечивают стабильно высокий уровень освещения. Это условие особенно важно при выращивании тепличных культур с целью дальнейшей реализации.
2. Интенсивность: в сравнении с другими видами ламп, светодиоды обеспечивают стабильно высокую интенсивность светового потока, которая позволяет активизировать процессы фотосинтеза;
3. Высокая продолжительность работы: в среднем, одна светодиодная лампа может беспрерывно светить до 80 тысяч часов, а некоторые модели и больше.

Кроме того, светодиодные лампы являются абсолютно безопасными для человека и окружающей среды. Во-первых, они не излучаются ультрафиолетовые лучи и не вырабатывают озон. Во-вторых, в них не содержится ртути и других вредных веществ, которые могут быть токсичными для человека и растений.

Подсветка на светодиодах LED

Устанавливая подсветку на светодиодах LED в своей теплице, вы будете уверены, что растения получат необходимое количество света, преобразованного в волны разной длины. Вследствие этого растения будут поглощать только те лучи спектра, которые больше всего требуются на конкретной фазе их развития.

У LED-светильников есть несколько важных преимуществ, которые играют особенно важную роль для тепличных культур. Во-первых, они обладают оптимальной световой мощностью, обеспечивая растения необходимым количество света и не вызывая ожогов листьев. Во-вторых, спектр таких светильников идеально подходит для тепличных растений, а при необходимости его можно регулировать. В-третьих, такие светильники не нагреваются, поэтому их использование не изменяет микроклимат теплицы (рисунок 2).

Кроме того, подобные лампы считаются экологичными, так как после завершения срока их службы не нужно проводить специальную утилизацию, а все сгоревшие элементы светильника можно легко заменить на новые. При этом следует учитывать, что LED-лампы стоят дорого, и обладают направленным излучением, поэтому для освещения большой площади понадобится большое количество точек с лампами

Лампы ДНаТ для теплицы

Светильники ДНаТ – это натриевые лампы, свет которых принадлежит преимущественно к красному диапазону спектра, который идеально подходит для растений в фазе цветения и плодоношения. Однако следует учитывать, что в свете таких ламп практически не содержатся лучи синего спектра, поэтому их применение на этапе роста рассады и наращивания зеленой массы практически не имеет смысла.

Также следует учитывать, что такие светильники отличаются высокой мощностью и коэффициентом рассеивания, но при этом обладают низкой световой отдачей. Кроме того, большая часть энергии в ДНаТ лампах уходит на их непосредственный нагрев, что, соответственно, нарушает микроклимат теплицы.

Примечание: Высокая мощность ламп ДНаТ имеет и некоторые последствия для их размещения. Чтобы свет не вызвал ожоги листьев, светильники нужно подвешивать на максимально возможную высоту.

Но основным недостатком ДНаТ ламп в сравнении со светодиодными светильниками является непродолжительный срок службы. Уже через полтора-два года они начинают тускнеть и их приходится менять. При этом следует учитывать, что в подобных изделиях содержится ртуть, и для их утилизации требуются специальные условия (рисунок 3).

Кроме того, лампы ДНаТ потребляют много энергии, и их использовании в больших теплицах может быть экономически невыгодным в зимнее время.

Устройство светодиодного освещения теплиц

Чтобы организовать светодиодное освещение теплицы правильно, нужно учитывать несколько важных нюансов. Во-первых, выбирать следует лампы с функцией регулировки плотности светового пучка и возможностью переключения с синего на красный спектр и обратно. Так вы получите универсальный осветительный прибор, который будет подходить ля любых растений и фаз их роста.

Другие нюансы устройства светодиодного освещения в теплице такие:

1. Возле ламп нужно обязательно устанавливать рефлекторы и светоотражатели. Они будут рассеивать свет от ламп, поэтому самих осветительных приборов понадобится меньше. Соответственно, сократятся и затраты на подсветку конструкции.
2. Включать дополнительное освещение следует только при необходимости, поскольку избыток света также негативно влияет на развитие растений, как и его недостаток. Больше всего подсветка нужна культурам в зимнее время, когда продолжительность светового дня короткая. В это время лампы должны работать от 12 до 16 часов в сутки.
3. Все кабели и проводку нужно прокладывать в специальных изолированных каналах для обеспечения оптимального уровня безопасности. Нужно помнить, что повышенная влажность внутри теплицы существенно повышает риск поражения током, поэтому, если у вас нет необходимых навыков работы с электроприборами, для монтажа лучше воспользоваться услугами профессионального электрика.

Кроме того, учитывайте, что для нормального развития растений им необходим не только искусственный, но и природный солнечный свет. Поэтому старайтесь размещать теплицу так, чтобы на нее не падала тень от высоких деревьев и соседних построек.

Если вы планируете выращивать культуры с различными требованиями к освещению, есть смысл комбинировать сразу несколько типов ламп, чтобы каждое растение получало достаточное количество лучей определенного спектра.

Расчет освещения теплицы

Правильная организация освещения теплицы светодиодами, нужно обязательно провести предварительные расчеты. С их помощью вы сможете подсчитать, какое количество ламп вам нужно и как их правильно расположить внутри помещения.

При проведении расчета во внимание принимают:

• Высоту самой теплицы и предполагаемое расстояние от ламп до растений;
• Мощность светильников, которые будут использоваться для освещения;
• Виды выращиваемых культур, поскольку для разных сортов растений требуется различная интенсивность освещения;
• Общая площадь теплицы и ее освещаемых участков.

Расчет светодиодного освещения теплицы проводится по такой формуле: F=(E*S)/Ки, где:

F – требуемая интенсивность светового потока (Лм);

Е – уровень освещенности (Лк);

S – площадь предполагаемого участка освещения (кв.м);

Ки – коэффициент использования светового потока. При этом данное значение зависит от расположение отражателя: для внешней системы отражения он составляет 0,4, а для внутренней – 0,8.

Чтобы вам было проще самостоятельно провести все необходимы расчет, рассмотрим этот процесс на примере. Предположим, что нам необходимо обустроить подсветку для 10 квадратных метров теплицы, на которых выращиваются помидоры. Минимально допустимый уровень освещенности для этих культур составляет 6000 Лк. При этом предположим, что теплица оснащена внутренним отражателем.

В данном случае расчет по приведенной выше формуле будет выглядеть следующим образом: F=(6000*10)/0,8 = 75000 Лм.

Используя полученный результат, мы можем рассчитать количество и мощность ламп, необходимых для освещения. Подсчет проще всего провести по таблице зависимости светового потока от мощности лампы.

Мощность лампы (Вт)	Световой поток (Лм)
2-3	250
4-5	400
6-10	700
10-12	900
12-15	1200
18-20	1800
25-30	2500

 

Если ориентироваться на таблицу, то для организации подсветки по нашему примеру понадобится 30 ламп мощностью 25-30 Вт. При этом важно учитывать, что в приведенном примере предполагалось, что светильники будут расположены на расстоянии метра от растений. Если показатель высоты меняется, световой поток также будет меняться по правилу обратных квадратов. То есть, если лампы будут расположены на высоте 2 м, освещенность и поверхности грунта снизится в 4 раза, если на расстоянии 3 метра, то в 9 раз, а если расстояние от ламп до растений составляет 0,5 метра, то освещенность наоборот, увеличится в 4 раза.

При проведении расчетов также принимайте во внимание, что, чем ниже находятся лампы, тем меньшей будет площадь освещения. Как правило, регулировка оптимального расположения ламп занимает достаточно много времени, так как при этом необходимо внимательно наблюдать за растениями и фиксировать их реакцию на подсветку. Чтобы облегчить себе задачу, еще на этапе монтажа светильников необходимо предусмотреть функцию их дальнейшей регулировки.

Освещение теплицы светодиодными лампами своими руками

Если вы планируете установить светодиодные светильники в большой промышленной теплице, монтажом системы лучше не заниматься своими руками, поскольку в этом случае существует высокий риск неправильной сборки и выхода всей системы из строя после начала эксплуатации. Для сокращения рисков лучше сразу заказывать готовые системы у проверенных производителей, а монтаж – у профессиональных электриков.

Но, если подсветка будет располагаться в небольшой домашней теплице, ее можно изготовить и своими руками.

Правильная сборка системы светодиодного освещения для теплицы проводится так:

1. Покупка светодиодов и LED-драйвера: всего вам понадобится 10 ламп и 1 драйвер. Лучше выбирать светильники мощностью 3 Вт и со спектром 400-840 Нм. На лампах должна быть отметка «full spectrum». Лучше сразу покупать лампы с запасом, чтобы при необходимости вышедший из строя светильник можно было быстро заменить. Драйвер желательно покупать в специальном герметичном пластиковом корпусе. При этом мощность прибора должна составлять 30 Вт.
2. Проверка светодиодов: как правило, производитель указывает полярность на выводах светодиодных матриц, но, чтобы избежать неприятностей во время монтажа, лучше проверить этот показатель мультиметром в режиме проверки диода. Щупы прибора присоединяют к контактным дорожкам согласно указанной полярности, а сам диод при этом должен загореться.
3. Обработка профиля: для монтажа осветительной системы вам также понадобится алюминиевый профиль длиной 1 метр. Его торцы нужно застить наждачной бумагой от заусениц, а сторону, которая будет использоваться для монтажа, обеззараживают спиртом.
4. Обработка светодиодных матриц: металлическую поверхность матриц также нужно обезжирить спиртом. Для этого элементы можно просто положить на ватный диск, пропитанный спиртом. Снимать их с диска до монтажа не рекомендуется, так как это может привести к повторному загрязнению (рисунок 4).
5. Разметка профиля: на обработанном куске алюминиевого профиля делают отметки для мест будущего крепления светодиодов и просверливают отверстия. Оптимальным считается расстояние в 9 см. На обезжиренную поверхность профиля наносят специальный термоклей и приклеивают светодиодные матрицы. При этом их желательно располагать плюсовыми выводами в одну сторону, чтобы в дальнейшем вам было проще паять провода.
6. Подготовка монтажного провода: монтажный провод МГТФ нарезают на куски длиной 12-13 см, зачищают концы и облуживают их паяльником. Далее провода нужно припаять к светодиодам. При этом нужно соблюдать полярность: плюс первого светодиода припаивают к минусу второго и так далее.
7. Соединение: с обратной стороны профиля делают два отверстия в центре, диаметром не более 4 мм. На расстоянии 10-15 см от них делают еще одно отверстие, диаметром 1 см. Из провода отрезают два куска длиной 75 см, вставляют их в отверстия и выводят на разные концы профиля. Концы этих проводов припаивают к светодиодам по полярности. С одного конца профиля заводят двулужный провод с вилкой, которую выводят через большое отверстие. Концы этого провода присоединяют к драйверу (рисунок 5).

На завершающем этапе к обратной стороне профиля нужно прикрепить кронштейны, с помощью которых конструкция будет зафиксирована внутри теплицы над растениями.

Сборка светодиодного светильника для тепличных растений пошагово детально показана в видео.

Источник: mirfermera.ru